Metabolic responses of adipose tissue in the periparturient dairy cow | Metabolische Antworten des Fettgewebes in der peripartalen Milchkuh

English. Dairy cows are in a tensed metabolic situation in the time around calving. With the onset of lactation, energy demand increases enormously, which requires mobilization of energy storages, mainly fat reserves. This necessarily involves extensive adaptation processes in adipose tissue depots, the main sites of energy storage in the body. Adipose metabolism has to undergo a switch from an anabolic condition, which is present in the period before calving, into a catabolic condition, which emerges at the time of calving. This is part of the complex metabolic challenge, which high-yielding dairy cows have to face in the early postpartum period, making the control mechanism of lipid mobilization from adipose tissues a critical process in terms of maintaining metabolic health. For this reason, adipose tissue metabolism has been extensively studied during the recent decades, and several regulatory mechanisms have been identified within the range of physiological and also pathophysiological processes. However, interrelationships between different regulatory mechanisms, as well as the reasons for a huge individual variation in the extent and timing of lipid mobilization are still not yet fully understood. Studying changes in adipose tissue metabolism at different levels would provide a deeper insight into the complex system of metabolic control in the context of homeorhetic adaptation. Therefore, the present study aimed to investigate changes in (1) adipose tissue morphology, (2) molecular mechanisms to activate lipolysis and lipogenesis at a protein level, (3) functional response to adrenergic stimulations, and (4) molecular mechanisms to promote antilipolysis during the periparturient period. This PhD research was conducted on 20 healthy, multiparous German Holstein cows, which were selected to be homogenous in their body condition, and were kept at the Institute of Animal Nutrition, Federal Research Institute for Animal Health (Braunschweig, Germany). The experimental period started when cows reached the 42nd day before the expected time of parturition and ended on the 100th day of lactation. Cows were fed a diet with two different concentrate-to-roughage ratios, in order to investigate the effect of a high and a low concentrate proportion prepartum (thereby the effect of a higher or lower dietary energy intake). Furthermore, cows were supplemented with dietary nicotinic acid. These dietary treatments were applied to investigate their effect on the extent of lipid mobilization. Adipose tissue biopsy samples were collected from all cows 42 days prepartum, and 1, 21, and 100 days postpartum. Both subcutaneous and retroperitoneal adipose depots were sampled to study depot-specific differences. These tissues were used to monitor time-related changes in (1) adipocyte size and adipose tissue composition, (2) expression and phosphorylation of key proteins of lipolytic and lipogenic pathways, (3) β-adrenergic functional response in an in vitro lipolysis assay, and (4) antilipolysis induced by nicotinic acid. Cows included in the study underwent the well-known adaptive processes of the transition period, including increasing milk production coupled with a decreased feed intake, resulting in a negative energy balance, which induced lipid mobilization reflected by increased plasma non-esterified fatty acid concentrations. Nevertheless, dietary interventions (i.e. different concentrate proportion and nicotinic acid supplementation) did not have a significant effect on these variables. Lipid mobilization was also reflected by a decreasing adipose cell size, upregulation of the cellular lipolytic pathway (increased phosphorylation of hormone-sensitive lipase and perilipin), downregulation of lipogenesis (decreased protein expression of fatty acid synthase), but contradictorily, was not associated with an increased in vitro β-adrenergic lipolytic response during early lactation. The antilipolytic effect of nicotinic acid was demonstrated in vitro at molecular and functional levels. In most aspects the two investigated depots, subcutaneous and retroperitoneal adipose tissues did not significantly differ. The lack of dietary effects was in contrast to the expectations. A large difference in prepartum energy intake was not sufficient to provoke differences in postpartum lipid mobilization, which suggests that other factors, such as genetically determined metabolic capabilities, eventually associated with high or low body condition, might have a superior impact. The antilipolytic effect of nicotinic acid mediated by the G protein-coupled receptor 109A was confirmed only in vitro. The lack of dietary effect may indicate an extensive hepatic bioconversion, preventing nicotinic acid from reaching the adipose tissues in sufficiently high amounts. Morphological and molecular changes were in accordance with a great demand for lipid mobilization to supply energy for milk production and maintenance. Postpartum, the unexpectedly low response of adipose tissues to β-adrenergic stimulation might be explained by changes of β-adrenergic receptor expression; however, it could also indicate the significance of further control mechanisms in triggering an increased lipolysis. To summarize, findings of the current research provide a better understanding of physiological control mechanisms determining adaptation processes in adipose tissues in the periparturient period, by linking morphological, molecular and functional levels of regulation.

German. Milchkühe befinden sich in der Zeit um die Kalbung in einer angespannten Stoffwechsellage. Mit dem Laktationsbeginn steigt der Energiebedarf enorm an, was die Mobilisierung der Energiespeicher, hauptsächlich Fettreserven nach sich zieht. Dieser Vorgang umfasst unerlässlich eine umfangreiche Adaptation der Fettdepots, welche als wichtigste Stellen der Energiespeicherung dienen. Gleichzeitig mit der Kalbung muss nämlich der Stoffwechsel in den Fettgeweben von Anabolismus, was vor der Kalbung maßgebend ist, auf Katabolismus umgeschaltet werden. Das ist Teil der komplexen metabolischen Herausforderung, die Hochleistungskühe in der frühen postpartalen Periode bewältigen müssen, was die kritische Rolle von Kontrollmechanismen in der Lipidmobilisierung hinsichtlich Erhaltung der metabolischen Gesundheit hervorhebt. Aus diesem Grund wurde der Stoffwechsel des Fettgewebes im Laufe der letzten Jahrzehnte ausführlich untersucht, und mehrere regulatorische Mechanismen im Rahmen der physiologischen und auch pathophysiologischen Prozesse wurden identifiziert. Dennoch sind Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Regulationsmechanismen, bzw. Ursachen der hohen individuellen Variation im Umfang und Zeitablauf der Lipidmobilisierung nicht vollständig bekannt. Die gleichzeitige Untersuchung der Stoffwechselveränderungen auf mehreren regulatorischen Ebenen würde weitere Erkenntnisse über die komplexe homeorhetische Adaptation liefern. Darum hatte diese Studie das Ziel, Änderungen in (1) Morphologie des Fettgewebes, (2) molekularen Mechanismen für die Aktivierung von Lipolyse und Lipogenese auf Proteinebene, (3) funktioneller Antwort von Geweben auf adrenerge Stimuli, und (4) molekularen Mechanismen für Antilipolyse während der peripartalen Periode zu erforschen. Diese Studie wurde an 20 gesunden, multiparen Deutschen Holstein Kühen, die homogen in ihrer Körperkondition waren, am Institut für Tierernährung des Friedrich-Loeffler-Instituts durchgeführt. Der Versuch begann, als die Kühe den 42. Tag vor dem errechneten Abkalbetermin erreicht haben, und endete am 100. Laktationstag. Die Diät der Kühe war unterschiedlich in ihrem Kraftfutter-Raufutter Verhältnis, um den Effekt eines niedrigen und eines hohen antepartalen Kraftfutteranteils (und demzufolge einer niedrigen oder hohen Energieaufnahme) zu überprüfen. Zusätzlich wurde der Effekt von diätetisch zugeführter Nikotinsäure getestet. Das Ziel dieser diätetischen Maßnahmen war, deren Effekt auf den Umfang der Lipidmobilisierung zu untersuchen. Biopsieproben aus den Fettgeweben wurden von allen Kühen am Tag 42 antepartum und an den Tagen 1, 21 und 100 postpartum entnommen. Um depot-spezifische Unterschiede untersuchen zu können, wurden sowohl subkutane als auch retroperitoneale Fettgewebe gewonnen. Diese Gewebeproben wurden für Untersuchungen (1) der Fettzellgröße und Fettgewebezusammensetzung, (2) der Expression und Phosphorylierung von Proteinen mit zentraler Bedeutung für lipolytische und lipogenetische Stoffwechselwege, (3) der β-adrenergen funktionellen Antwort von Geweben in einem in vitro Lipolyse Assay, und (4) der nikotinsäurevermittelten Antilipolyse verwendet. Die Kühe in dieser Studie haben die allgemein bekannten Adaptationsvorgänge der Transitperiode aufgewiesen: steigende Milchproduktion gekoppelt mit eingeschränkter Futteraufnahme, bzw. eine Lipidmobilisierung ausgelöst von negativer Energiebilanz, die durch erhöhte Plasmakonzentration nichtveresterter Fettsäuren widergespiegelt wurde. Diese Vorgänge wurden von den diätetischen Behandlungen (unterschiedlicher Kraftfutteranteil und Nikotinsäuresupplementation) nicht signifikant beeinflusst. Die Lipidmobilisierung in der Frühlaktation war auch mit einer Verkleinerung der Fettzellgröße, einer Hochregulation des zellulären lipolytischen Stoffwechselweges (erhöhte Phosphorylierung der hormonsensitiven Lipase und Perilipin) und einer Herunterregulation der Lipogenese (verminderte Proteinexpression der Fettsäuresynthase) assoziiert, aber nicht mit einer Steigerung der in vitro β-adrenergen lipolytischen Antwort. Der antilipolytische Effekt von Nikotinsäure konnte in vitro auf molekularer und funktioneller Ebene gezeigt werden. Die zwei untersuchten Fettdepots, subkutanes und retroperitoneales Fett haben sich in den meisten Parameter nicht signifikant unterschieden. Der mangelnde diätetische Einfluss war gegensätzlich zur initialen Hypothese. Ein bedeutsamer Unterschied in der antepartalen Energieaufnahme hat nicht ausgereicht, um Unterschiede in der postpartalen Lipidmobilisierung zu induzieren, was impliziert, dass andere Einflussfaktoren, wie genetisch bestimmte metabolische Kapazitäten, eventuell assoziiert mit niedriger oder höher Körperkondition, eine übergeordnete Rolle spielen können. Der antilipolytische Effekt von Nikotinsäure, vermittelt durch den G protein-coupled receptor 109A konnte nur in vitro bestätigt werden. Der mangelnde diätetische Effekt kann durch hepatische Biokonversation bedingt sein, was eine ausreichend hohe Konzentration an Nikotinsäure in den Fettgeweben verhindern kann. Die morphologischen und molekularen Änderungen waren in Übereinstimmung mit dem enormen Bedarf an Lipidmobilisierung um Energie für Milchproduktion und Erhaltung zu sichern. Die unerwartete verminderte Antwort der Fettgewebe auf β-adrenerge Stimulation postpartum kann einerseits mit Änderungen in der Expression der β-Rezeptoren erklärt werden, andererseits kann dieses auf die Wichtigkeit von weiteren Kontrollmechanismen für die Steigerung der Lipolyse hinweisen. Zusammenfassend tragen die Befunde dieser Studie durch Verknüpfung von morphologischen, molekularen und funktionellen Aspekten dazu bei, die physiologischen Regulationsmechanismen, die die peripartale Adaptationsmechanismen in den Fettgeweben bestimmen besser zu verstehen.